2020-09-25 07:39:53

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基于集成电路的计算机短期内还不会退出历史舞台。但一些新的计算机正在跃跃欲试地加紧研究,这些计算机是:超导计算机纳米计算机光计算机DNA计算机量子计算机等。 目前推出的一种新的超级计算机采用世界上速度最快的微处理器之一,并通过一种创新的水冷系统进行冷却。IBM公司2001年08月27日宣布,他们的科学家已经制造出世界上最小的计算机逻辑电路,也就是一个由单分子碳组成的双晶体管元件。这一成果将使未来的电脑芯片变得更小、传输速度更快、耗电量更少。

基本信息

  • 中文名称

    未来计算机

  • 采用的技术

    微处理器以及创新水冷系统

  • 主要元件

    碳纳米晶体管

  • 运算速度

    每秒浮点运算次数高达1000万亿次

  • 体积大小

    指甲般大小或更小

  • 能源消耗

  • 代表公司

    IBM

折叠 编辑本段 采用的技术

目前推出的一种新的超级计算机采用世界上速度最快的微处理器之一,并通过一种创新的水冷系统进行冷却。新的Power 575超级计算机配置IBM最新的POWER 6微处理器,使用安装在每个微处理器上方的水冷铜板将电子器件产生的热量带走。采用水冷技术的超级计算机所需空调的数量能够减少80%,可将一般数据中心的散热能耗降低40%。科学家估计用水来冷却计算机系统的效率最多可比用空气进行冷却高出4000倍。这一绰号"水冷集群"的系统可支持拥有数百个节点的非常大型的集群,而且能够在密集配置中实现极高的性能。

折叠 编辑本段 主要元件

IBM公司在2001年08月27日宣布,他们的科学家已经制造出世界上最小的计算机逻辑电路,也就是一个由单分子碳组成的双晶体管元件,这一成果将使未来的电脑芯片变得更小、传输速度更快、耗电量更少。

构成这个双晶体管的材料是碳纳米管,一个比头发还细10万倍的中空管体。碳纳米管是自然界中最坚韧的物质,比钢还要坚韧十倍;而且它还具有超强的半导体能力,IBM的科学家认为将来它最有可能取代硅,成为制造电脑芯片的主要材料。IBM物理科学主管Supratik称,"模拟显示,用碳纳米管做成的芯片要比传统的硅芯片速度高出5倍之多。"将来利用碳纳米管技术制造的微处理器会使计算机变得更小、速度更快、更加节能。兰迪·伊萨克博士介绍:"这是一个巨大的科学突破,我们第一次在单分子上制造出计算机最基本的电路元件,这是碳分子,而不是硅。这将使未来的计算机制造出现更多突破,有可能出现三维计算机,它的基本材料将不再是硅,它会更小、 更快、更便宜,能完成很多以前无法做到的任务。"

计算机晶体管的体积越小,电流传输的路径就越少,运行速度就越快。根据摩尔定律,每18个月,集成电路中可容纳的晶体管数目会呈几何级增长,从而使计算机芯片的性能翻倍提高。但是,有人预言在未来的10-15年间,由于硅的物理特性,目前普遍使用的硅晶体管制造技术将发展到极限,难以继续,对此IBM公司认为,到那时碳纳米管的时代将到来,它将使处理器的体积更小、能集成更多的晶体管,进一步提高计算机的性能。

碳纳米管是日本NEC公司在1991年发现的;1998年,IBM和NEC的科学家联合制造出纳米晶体管,完成了制造碳纳米晶体管的第一步。如今,IBM制造出了这种由一个正极和一个负极组成的最小双晶体管,最后一步就是将它们嵌入集成电路,连接起来,开始处理复杂的运算。

IBM的科学家表示,利用碳纳米管技术生产产品还需要再等上10年或更长时间。

2013年,据 纽约时报报道,IBM最近宣布在碳纳米管芯片制造技术上取得突破性进展,有望让摩尔定律在下一个十年中继续生效下去。

折叠 编辑本段 运算速度

根据美国专家表示,新一代的超级电脑很可能问世,其每秒浮点运算次数可高达1000万亿次,大约是位于美国加州劳伦斯利佛摩国家实验室中的"蓝基因/L"电脑的2倍快.这种千兆级超级电脑的超强运算能力很可能加速各种科学研究的方法,促成科学重大新发现。

根据华盛顿邮报3日报导指出,千兆级电脑的运算能力相当于逾一万台桌上型电脑的总和,在普通个人电脑上得穷毕生时间才能完成的运算,在现今的超级电脑上大概得花5小时完成,若使用千兆级电脑则仅需2小时.

在新一代的超级电脑中,以美国IBM公司与美国能源部在洛萨拉摩斯国家实验室所共同打造的"路跑者"(Roadrunner )超级电脑最有希望率先完成,这台电脑运算时所耗费的电量也高达400万瓦,足以点亮一万颗灯泡。

折叠 编辑本段 体积大小

计算机世界网消息台宣布,它成功使用比现有晶体管小九倍的微型晶体管,开发出功能强大的微晶片。这项突破可使未来的超级电脑只有指甲般大小。

这个名为鳍式场效晶体管(FinField-effect transistor)是一种新的互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管,其长度小于25毫微米,未来可以进一步缩小到9毫微米。这大约是人类头发宽度的一万分之一。

这是半导体技术上的一大突破,未来的晶片设计师可望将超级电脑设计成只有指甲大小。

鳍式场效晶体管源自于目前传统标准的场效晶体管的一项创新设计。在传统的晶体管结构中,控制电流经过的闸门只能在其一侧,通过它控制电路的接通与开关。在鳍式场效晶体管结构中,闸门设计成鱼鳍形状,可让晶体管的两侧控制电路的接通和开关。这种设计大大改善了电路的可控性并减少漏电,也可以大幅度缩短晶体管的闸长。

台积电成功使用现有设备生产出鳍式场效晶体管,这证明传统晶体管在制作过程中,目前遇到的漏电及过热产生的难题可以得到解决。这预示着金氧半导体制作生产线可以再延续20年以上,它也将为半导体业带来新的前景。

折叠 编辑本段 能源消耗

随着电脑技术的飞速发展,多核芯片的迅速普及,电脑的功耗成倍增长,而在有限的能源下如何去降低功耗这也成为了目前越来越多的用户关注的问题,所以目前,新标准要想获得更多用户的认可必须要从低功耗方面发展。全球的PC数量每年都在飞速增长。每年PC的耗电量也是相当惊人的,即使是每台PC减低1W的幅度,其省电量都是非常可观的。

半导体市场调查机构iSuppli也曾预测DDR3内存将会在2008年替代DDR2成为市场上的主流产品,iSuppli认为在那个时候DDR3的市场份额将达到55%。不过,就具体的设计来看,DDR3与DDR2的基础架构并没有本质的不同。从某种角度讲,DDR3是为了解决DDR2发展所面临的限制而催生的产物。

从规格来看,DDR3仍将沿用FBGA封装方式,故在生产上与DDR2内存区别不大。但是由设计的角度上来看,因DDR3的起跳工作频率在1066MHz,这在电路布局上将是一大挑战,特别是电磁干扰,因此也将反映到PCB上增加模块的成本。

预计在DDR3进入市场初期,其价格将是一大阻碍,而随着逐步的普及,产量的提升才能进一步降低成本。

降低功耗为业界造福

DDR3内存在达到高带宽的同时,其功耗反而可以降低,其核心工作电压从DDR2的1.8V降至1.5V,相关数据预测DDR3将比现时DDR2节省30%的功耗,当然发热量我们也不需要担心。就带宽和功耗之间作个平衡,对比现有的DDR2-800产品,DDR3-800、1066及1333的功耗比分别为0.72X、0.83X及0.95X,不但内存带宽大幅提升,功耗比表现也比上代更好。

如今,DDR已经成为历史被全面淘汰,DDR2也将成为强弩之末,从DDR2内存的价格就可以看出,DDR2内存已经走向没落,不过在短时间内,DDR2内存是不会消失在大家视野的。但是,目前无论是Intel还是AMD都已经暗示着DDR3内存的时代即将到来,尤其是Intel已经推出了多款支持DDR3的芯片组。作为最新的内存规格,DDR3把电压降低到了1.5v,预读取设计位数从4bit提升至8bit,在提高电气性能的同时有效解决了内存带宽的瓶颈,除此之外,DDR3内存在制作工艺上得到了改进,并新增了重置(Reset)功能和ZQ校准功能,为节能以及高频率下稳定工作奠定了基础,可以看到DDR3内存是下一代CPU的完美搭档。

未来电脑的能耗会按二个极端发展,易用型向低能耗发展,高端的会向更大功率发展.

折叠 编辑本段 第五代计算机

第五代计算机指具有人工智能的新一代计算机,它具有推理、联想、判断、决策、学习等功能。计算机的发展将在什么时候进入第五代?什么是第五代计算机?对于这样的问题,并没有一个明确统一的说法。日本在1981年宣布要在10年内研制"能听会说、能识字、会思考"的第五代计算机,投资千亿日元并组织了一大批科技精英进行会战。这一宏伟计划曾经引起世界瞩目,并让一些美国人恐慌了好一阵子,有人甚至惊呼这是"科技战场上的珍珠港事件"。现在回头看,日本原来的研究计划只能说是部分地实现了。到了今天还没有哪一台计算机被宣称是第五代计算机。

但有一点可以肯定,在未来社会中,计算机、网络、通信技术将会三位一体化。新世纪的计算机将把人从重复、枯燥的信息处理中解脱出来,从而改变我们的工作、生活和学习方式,给人类和社会拓展了更大的生存和发展空间。当历史的车轮驶入二十一世纪时,我们会面对各种各样的未来计算机。

能识别自然语言的计算机

未来的计算机将在模式识别、语言处理、句式分析和语义分析的综合处理能力上获得重大突破。它可以识别孤立单词、连续单词、连续语言和特定或非特定对象的自然语言(包括口语)。今后,人类将越来越多地同机器对话。他们将向个人计算机"口授"信件,同洗衣机"讨论"保护衣物的程序,或者用语言"制服"不听话的录音机。键盘和鼠标的时代将渐渐结束。

高速超导计算机

高速超导计算机的耗电仅为半导体器件计算机的几千分之一,它执行一条指令只需十亿分之一秒,比半导体元件快几十倍。以目前的技术制造出的超导计算机的集成电路芯片只有3-5平方毫米大小。

激光计算机

激光计算机是利用激光作为载体进行信息处理的计算机,又叫光脑,其运算速度将比普通的电子计算机至少快1000倍。它依靠激光束进入由反射镜和透镜组成的阵列中来对信息进行处理。

与电子计算机相似之处是,激光计算机也靠一系列逻辑操作来处理和解决问题。光束在一般条件下的互不干扰的特性,使得激光计算机能够在极小的空间内开辟很多平行的信息通道,密度大得惊人。一块截面等于5分硬币大小的棱镜,其通过能力超过全球现有全部电缆的许多倍。

分子计算机

分子计算机正在酝酿。美国惠普公司和加州大学,1999年7月16日宣布,已成功地研制出分子计算机中的逻辑门电路,其线宽只有几个原子直径之和,分子计算机的运算速度是目前计算机的1000亿倍,最终将取代硅芯片计算机。

量子计算机

量子力学证明,个体光子通常不相互作用,但是当它们与光学谐腔内的原子聚在一起时,它们相互之间会产生强烈影响。光子的这种特性可用来发展量子力学效应的信息处理器件--光学量子逻辑门,进而制造量子计算机。量子计算机利用原子的多重自旋进行。量子计算机可以在量子位上计算,可以在0和1之间计算。在理论方面,量子计算机的性能能够超过任何可以想象的标准计算机。

DNA计算机

科学家研究发现,脱氧核糖核酸(DNA)有一种特性,能够携带生物体的大量基因物质。数学家、生物学家、化学家以及计算机专家从中得到启迪,正在合作研究制造未来的液体DNA电脑。这种DNA电脑的工作原理是以瞬间发生的化学反应为基础,通过和酶的相互作用,将发生过程进行分子编码,把二进制数翻译成遗传密码的片段,每一个片段就是著名的双螺旋的一个链,然后对问题以新的DNA编码形式加以解答。

和普通的电脑相比,DNA电脑的优点首先是体积小,但存储的信息量却超过现在世界上所有的计算机。

折叠 编辑本段 第六代计算机

折叠 神经元计算机

人类神经网络的强大与神奇是人所共知的。将来,人们将制造能够完成类似人脑功能的计算机系统,即人造神经元网络。神经元计算机最有前途的应用领域是国防:它可以识别物体和目标,处理复杂的雷达信号,决定要击毁的目标。神经元计算机的联想式信息存储、对学习的自然适应性、数据处理中的平行重复现象等性能都将异常有效。

折叠 生物计算机

生物计算机主要是以生物电子元件构建的计算机。它利用蛋白质有开关特性,用蛋白质分子作元件从而制成的生物芯片。其性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。用蛋白质制成的计算机芯片,它的一个存储点只有-个分子大小,所以它的存储容量可以达到普通计算机的十亿倍。由蛋白质构成的集成电路,其大小只相当于硅片集成电路的十万分之一。而且运行速度更快,只有10的-11次方秒,大大超过人脑的思维速度。

折叠 编辑本段 未来趋势

芯片级节能技术

芯片级节能技术主要包括CPU功耗控制、CPU频率调整和专用低功耗部件。

CPU加工工艺的不断提升,多核及CPU中集成内存控制器,在提高性能的同时,降低了主板芯片组的功耗。另一方面,通过降低电压和频率也可以降低CPU的动态功耗,在CPU功耗控制方面,如Intel推出的动态功耗节点管理器(DynamicNodeManagement)是一个内嵌于英特尔服务器芯片组的带外(OOB)功率管理策略引擎。它与BIOS和操作系统功耗管理(OSPM)协作,动态地调整平台功耗,从而实现服务器)性能/功耗的最大化。在专用低功耗部件研究方面,包括上海澜起公司研发的高级内存缓存AMB芯片、SSD固态电子硬盘等技术与产品。

基础架构级节能技术

基础架构级节能技术主要包括液冷、存储制冷、高效能电源、高效能散热冷却技术等诸多技术。

高效能散热冷却技术包括研究效率更高的散热方式和性能更好的冷却设备,如HPPARSEC体系结构(ParallelRedundantScalableEnterpriseCooling)、IBM的机房冷却系统等。存储制冷(StoredCooling)指预先基于制冷设备存储部分制冷能力,在需要时再有效释放,类似电池的储电功能,如IBM基于存储冷却技术的机房冷却方案。液冷技术包括水冷及液态金属制冷,由于其导热能力强并且热容更大,能够更快的缓解负载突变造成的散热压力并吸收更多的热量,在当前大型计算机中使用越来越普遍,如IBMCoolBlue机柜系统。

系统级节能技术

在解决功耗方面,除采用上述CPU功耗控制、CPU工作频率调整、液体冷却、低功耗专用芯片、芯片级冷却等技术以外,学术界和企业界也在研究系统级节能技术和产品,包括:基于负载情况动态调整系统状态、实施部分节点或部件的休眠;根据各进程能耗的不同对CPU任务队列进行调整,如将一些产生较多热量的任务从温度较高的CPU上迁移到温度较低的CPU上从而实现能耗的均衡。如国家高性能计算机工程技术研究中心开发的自适应功耗管理系统,可实现基于能效的作业调度策略,IBMPowerExecutive允许用户"计量"任何单一物理系统或一组物理系统的实际电力使用数据和趋势数据,并可对实际用电量进行监视,并在系统、机箱或机架层次上对数据中心中的电耗和热耗进行有效分配...

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